כיצד שכבות אפיטקסיאליות מסייעות למכשירי מוליכים למחצה?

מקור השם רקיק אפיטקסיאלי

ראשית, בואו נעשה פופולריות למושג קטן: הכנת פרוסות כוללת שני קישורים עיקריים: הכנת מצע ותהליך אפיטקסיאלי. המצע הוא רקיק העשוי מחומר גבישי מוליך למחצה. המצע יכול להיכנס ישירות לתהליך ייצור הפרוסות כדי לייצר התקני מוליכים למחצה, או שהוא יכול להיות מעובד בתהליכים אפיטקסיאליים לייצור פרוסות אפיטקסיאליות. אפיטקסיה מתייחסת לתהליך של גידול שכבה חדשה של גביש בודד על מצע גביש יחיד שעבר עיבוד קפדני על ידי חיתוך, שחיקה, ליטוש וכו'. הגביש היחיד החדש יכול להיות אותו חומר כמו המצע, או שהוא יכול להיות אפיטקסיה חומרית (הומוגנית) או הטרופיטקסיה שונה. מכיוון שהשכבה החד-גבישית החדשה מתארכת וצומחת בהתאם לשלב הגבישי של המצע, היא נקראת שכבה אפיטקסיאלית (העובי הוא בדרך כלל כמה מיקרונים, אם לוקחים סיליקון כדוגמה: המשמעות של גידול אפיטקסיאלי של סיליקון היא על סיליקון סיליקון. מצע קריסטל עם כיוון גביש מסוים שכבה של קריסטל עם שלמות מבנה סריג טובה והתנגדות ועובי שונה עם אותו הדבר כיוון גביש עם גידול המצע), והמצע עם השכבה האפיטקסיאלית נקרא רקיק אפיטקסיאלי (ריק אפיטקסיאלי = שכבה אפיטקסיאלית + מצע). כאשר המכשיר מיוצר על השכבה האפיטקסיאלית, זה נקרא אפיטקסיה חיובית. אם המכשיר מיוצר על המצע, זה נקרא אפיטקסיה הפוכה. בשלב זה, השכבה האפיטקסיאלית ממלאת רק תפקיד תומך.

רקיק מלוטש

שיטות גידול אפיטקסיאליות

אפיטקסיית קרן מולקולרית (MBE): זוהי טכנולוגיית גידול אפיטקסיאלית מוליכים למחצה המבוצעת בתנאי ואקום גבוה במיוחד. בטכניקה זו, חומר מקור מתאדה בצורה של קרן של אטומים או מולקולות ולאחר מכן מופקד על מצע גבישי. MBE היא טכנולוגיית צמיחת סרט דק של מוליכים למחצה מאוד מדויקת וניתנת לשליטה שיכולה לשלוט במדויק על עובי החומר המושקע ברמה האטומית.
מתכת אורגני CVD (MOCVD): בתהליך MOCVD, מתכת אורגנית גז הידריד N גז המכיל את היסודות הנדרשים מסופקים למצע בטמפרטורה מתאימה, עוברים תגובה כימית ליצירת החומר המוליך למחצה הנדרש, ומופקדים על המצע. פועל, בעוד התרכובות הנותרות ותוצרי התגובה משוחררים.
אפיטקסיית פאז אדים (VPE): אפיטקסיית פאז אדים היא טכנולוגיה חשובה הנפוצה בייצור התקני מוליכים למחצה. העיקרון הבסיסי הוא להעביר את האדים של חומרים או תרכובות יסוד בגז נשא, ולהפקיד גבישים על המצע באמצעות תגובות כימיות.

אילו בעיות פותר תהליך האפיטקסיה?

רק חומרי גביש בודדים בתפזורת אינם יכולים לענות על הצרכים ההולכים וגדלים של ייצור התקני מוליכים למחצה שונים. לכן, גידול אפיטקסיאלי, טכנולוגיית גידול חומר גביש יחיד בשכבה דקה, פותחה בסוף 1959. אז איזו תרומה ספציפית יש לטכנולוגיית האפיטקסיה לקידום החומרים?

עבור סיליקון, כשהחלה טכנולוגיית הצמיחה האפיטקסיאלית של סיליקון, זו הייתה באמת תקופה קשה לייצור טרנזיסטורי סיליקון בתדר גבוה והספק גבוה. מנקודת המבט של עקרונות הטרנזיסטור, כדי לקבל תדר גבוה והספק גבוה, מתח הפריצה של אזור הקולט חייב להיות גבוה וההתנגדות הסדרתית חייבת להיות קטנה, כלומר, מפל מתח הרוויה חייב להיות קטן. הראשון דורש שההתנגדות של החומר באזור האיסוף תהיה גבוהה, בעוד שהאחרון דורש שההתנגדות של החומר באזור האיסוף תהיה נמוכה. שני המחוזות סותרים זה את זה. אם עובי החומר באזור הקולט מצטמצם כדי להפחית את ההתנגדות בסדרה, רקיקת הסיליקון תהיה דקה ושבירה מדי לעיבוד. אם ההתנגדות של החומר תפחת, זה יסתור את הדרישה הראשונה. עם זאת, פיתוח הטכנולוגיה האפיטקסיאלית הצליח. פתר את הקושי הזה.

פתרון: גדלו שכבה אפיטקסיאלית בעלת התנגדות גבוהה על מצע בעל התנגדות נמוכה במיוחד, והכינו את המכשיר על השכבה האפיטקסיאלית. שכבה אפיטקסיאלית זו בעלת התנגדות גבוהה מבטיחה שלצינור יש מתח פירוק גבוה, ואילו המצע בעל התנגדות נמוכה הוא גם מפחית את ההתנגדות של המצע, ובכך מפחית את ירידת מתח הרוויה, ובכך פותר את הסתירה בין השניים.

בנוסף, טכנולוגיות אפיטקסיות כגון אפיטקסיית פאזה אדים ואפיטקסית פאזה נוזלית של GaAs וחומרים אחרים מוליכים למחצה מולקולריים מסוג III-V, II-VI וחומרים מולקולריים מולקולריים אחרים פותחו מאוד והפכו לבסיס לרוב מכשירי המיקרוגל, התקנים אופטו-אלקטרוניים, הספק זוהי טכנולוגיית תהליך הכרחית לייצור מכשירים, במיוחד יישום מוצלח של טכנולוגיית קרן מולקולרית וטכנולוגיית שלב אדי אורגני מתכת בשכבות דקות, סריג-על, בארות קוונטיות, סריג-על מתוחים ואפיטקסיה של שכבה דקה ברמה אטומית, שהיא שלב חדש במחקר מוליכים למחצה. הפיתוח של "הנדסת חגורת אנרגיה" בתחום הניח בסיס איתן.

ביישומים מעשיים, התקני מוליכים למחצה רחבי פס מיוצרים כמעט תמיד על השכבה האפיטקסיאלית, ופלסת הסיליקון קרביד עצמה משמשת רק כמצע. לכן, השליטה בשכבה האפיטקסיאלית היא חלק חשוב בתעשיית המוליכים למחצה רחבים.

7 מיומנויות עיקריות בטכנולוגיית אפיטקסיה

1. ניתן לגדל שכבות אפיטקסיאליות עם עמידות גבוהה (נמוכה) על מצעי עמידות נמוכה (גבוהה).
2. ניתן לגדל את השכבה האפיטקסיאלית מסוג N (P) על מצע מסוג P (N) ליצירת צומת PN ישירות. אין בעיית פיצוי בעת שימוש בשיטת הדיפוזיה ליצירת צומת PN על מצע גבישי יחיד.
3. בשילוב עם טכנולוגיית מסכות, מתבצעת צמיחה אפיטקסיאלית סלקטיבית באזורים ייעודיים, תוך יצירת תנאים לייצור מעגלים משולבים והתקנים בעלי מבנים מיוחדים.
4. ניתן לשנות את סוג וריכוז הסימום בהתאם לצרכים בתהליך הגדילה האפיטקסיאלית. השינוי בריכוז יכול להיות שינוי פתאומי או שינוי איטי.
5. הוא יכול לגדל תרכובות הטרוגניות, מרובות שכבות, מרובות רכיבים ושכבות דקות במיוחד עם רכיבים משתנים.
6. ניתן לבצע גידול אפיטקסיאלי בטמפרטורה נמוכה מנקודת ההיתוך של החומר, קצב הגדילה ניתן לשליטה וניתן להגיע לצמיחה אפיטקסיאלית בעובי ברמה האטומית.
7. הוא יכול לגדל חומרים חד-גבישיים שאינם ניתנים למשיכה, כמו GaN, שכבות גבישיות בודדות של תרכובות שלישוניות ורבעוניות וכו'.